自动洗手器.docx
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自动洗手器
漳州师范学院物理与电子信息工程系
课
程
设
计
报
告
课题名称:
自动洗手器的设计
设计时间:
3月2号～18号
自动洗手器的设计
摘要:
由LM567为核心器件组成的红外线自动洗手器电路设计简单,使用方便。
只要人手放在洗手器下,洗手器即能自动放出水来供使用者洗手或洗涤其它物品，省去了洗手时要拧开水龙头的麻烦用它可使卫生设备上一个档次。
关键词：
红外线;洗手器;LM567
一、自动洗手器实现方案：
1、目前，自动洗手器有采用红外感应实现自动控制出水控制，恒温动物自身可产生一定频率的红外线，红外感应器能捕获人体发出的红外线，此方案的设计成本比较昂贵，且抗干扰能力弱，故不采用此方案。
2、自动洗手器使用最多的方案是利用红外发射接收实现自动控制；红外发射管发射一定的频率的红外线，红外线遇到人体反射，由接收管接收，即可判断有无人要洗手。
此方案成本比较便宜，抗干扰能力较强，且制作简易，故采用此方案。
二、设计任务：
1、设计一个用于控制水龙头自动出水的装置；
2、当有人洗手时，装置能自动出水，若手稍微偏离水龙头时（偏离时间2S以内），水龙头也能自动出水；
3、工作电源为交流220V；
4、灵敏度可调；
三、设计方案：
根据设计要求，其工作原理如图所示。
主要包括四大部分：
可调稳压电源（变压、整流、滤波、稳压）电路；芯片LM567的工作；红外接受部分LM358的工作；芯片IC4的工作。
参考电路图
四、各功能模块设计
a）可调稳压电源电路的设计
220V交流电路经变压器T降压,变为12V交流电,再由D1～D4桥
式整流,C1滤波,三端稳压集成电路7809稳压,得到9V直流电供给控制电路工作。
LED1为红色发光二极管,用作洗手器的电源指示。
其电路图如下：
其元器件的封装：
二极管D1～D4的封装：
DIODE0.4A
电解电容C1的封装：
RB.2/.4
发光二极管的封装：
LDA
电阻的封装：
AXIAL0.4A
三端稳压器件7809的封装：
78/79A
b）芯片LM567的工作设计
i.LM567的原理：
1脚输出滤波,2脚环路滤波（②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
）③脚是输入端，要求输入信号≥25mV;4脚接Vcc,7脚接地;⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC;⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
ii.LM567的特点：
逻辑输出具有高达100mA的吸收电流；锁定带宽范围从0%到14%中心频率；噪声抑制能力强；抗假信号干扰能力强；中心频率稳定度高；中心频率从0.01Hz到500KHz可调。
iii.LM567的应用：
①电路工作时，输入信号与压控振荡器VCO的振荡信号在鉴相器Ｑ（双平衡模拟乘法器）中鉴相，相差信号经环路低通滤波后，形成与相差成一定比例的电压信号，用于控制VCO输入频率跟踪输入信号的相位变化，若输入信号频率落在锁相环路的捕捉范围内，则环路锁定，VCO的频率与输入信号的频率一致。
②鉴相器Ｉ（双平衡模拟乘法器）与鉴相器Ｑ工作方式略有不同，它是利用压控振荡器的输出信号经90度移相后与输入信号鉴相，因而鉴相器Ｉ的输出电压达到输出范围的最大值，经运放后反相输出，其输出是集电极开路方式，采用该方式方便输出信号与TTL或CMOS电路匹配，且可直接驱动继电器等小功率负载。
•③中心频率为f=1/1.1RC；捕捉的带宽为BW=1070sqrt（Vin/fC2）其中25mV最大锁范围为14%f0，电源电压为4.75V~9V，输入电阻为20千欧，典型工作电流为7mA，主要用于单音解码。
iv.
LM567芯片的构造如下图：
图5.7.1LM567的内部结构及引脚
芯片LM567控制的电路如下：
其元器件的封装：
电解电容C2、C4、C5的封装：
RB.1/.2
电容C3、C6的封装：
CAP0.2A
红外发射二极管的封装：
LDA
三极管T1的封装：
9013A
可调电阻的封装：
VR4B
电阻的封装：
AXIAL0.4A
LM567的封装：
DIP8
c）红外接受部分LM358的工作设计
（1）LM358的原理：
LM358是常用的双运放，里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
（2）LM358的特点：
内部频率补偿；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；.直流电压增益高（约100dB）；单位增益频带宽（约1MHz）；电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）；低功耗电流，适合于电池供电；输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
（3）LM358的应用：
连接上适当的器件可以构成红外接受电路，代替SFH506—38，实现红外接受功能。
（4）LM358芯片的构造如下：
芯片LM358控制的电路如下：
其元器件的封装如下：
红外接受二极管的封装：
LDA
电阻的封装：
AXIAL0.4A
电容0.01UF的封装：
CAP0.2A
电解电容1UF的封装：
RB1/2A
芯片LM358的封装：
DIP8
d）芯片555的工作电路设计
（1）555的工作原理：
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
（2）555的内部结构：
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
R是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
其内部结构如下图：
（3）芯片555的应用：
由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
芯片555控制的电路如下：
其元器件的封装如下：
芯片555的封装：
DIP8
电阻的封装：
AXIAL0.4A
电容的封装：
CAP0.2A
三极管T2的封装：
9013A
二极管D5的封装：
DIODE0.4A
红外接受二极管的封装：
LDA
继电器J1的封装：
J
e）系统总的原理图
五、元器件
器件名称
器件型号
数量（个）
器件名称
器件型号
数量（个）
集成芯片
LM567
1
电阻
1K
2
集成芯片
LM358
1
电阻
10K
6
集成芯片
555
1
电阻
470K
1
电容
104
3
电阻
15M
1
电容
0.01UF
1
电阻
5.1K
2
电容
222
1
电阻
91K
1
电解电容
1000UF/25V
1
二极管
4007
5
电解电容
100UF/25V
1
继电器
J1
1
电解电容
2.2UF
1
芯片插槽
3
电解电容
1UF
2
指示灯
2
滑动电阻
1K
1
三端稳压
1
滑动电阻
50K
1
红外接受红外发射
1
1
六、PCB板图
七、硬件调试要点
1、仔细检查PCB板是否不错，元器件是否焊错，器件参数是否弄错；
2、不接芯片，测试电源是否正常；
3、电源正常后，插上芯片，用示波器测LM567的5或6脚对地波形，调整RW2（选用电位器，阻值和C6的容量自行考虑）阻值使其频率为10kHz以下,以便提高接收灵敏度,若频率过高,可能因运放带宽不足而无法对红外信号进行有效的放大；
用示波器观测LM567第5脚的波形，观测到的波形为下图，用示波器观测发射管的负级，观测到的波形与上面的相同。
LM567的5角频率为3.940KHz,6角的频率约为3.467KHz
用示波器观测接收管的波形，若没有接收到信号，观测到的是一个低电平的直流量；若有接受到信号（即手挡在接收管的有效距离内），观测到的波形与发射的波形一样。
4、注意红外接收管的方向不能弄错；
5、测试LM567能否收到反射信号，并调节灵敏度；
6、调试555芯片构成的单稳态电路（自行选用R3和C7的参数）。
（Tw=1.1RC）。
7、若手挡在接收管的有效距离内，作指示用的发光二极管亮，若手挡在接收管的有效距离内，时间小于2S，手拿开后，指示灯2S后灭；若手挡在接收管的有效距离内，时间大于2S，手拿开后，指示灯马上灭。
8、保持RW2、RW3不变，调小RW1，接收管的接收有效距离减小；调大RW1，接收管的接收有效距离增大。
八、结果分析
按照设计要求，结果可得：
手在接收管的有效距离内，指示灯亮，即电磁阀工作，水龙头可出水；手在有效距离内小于2S时，出水时间可延时2S；调节RW1，可调节接收管接收的有效距离，即灵敏度可调节。
所以本设计符合所有设计要求，可实现其功能。
九、设计工作总结
根据设计要求做出实物，在整个设计过程中，基本掌握7809，继电器，LM567，LM358，555等芯片的功能和各引脚个功能，了解画图，制板的过程。
在测试中，注意电源线的正确接法，以避免电源线和地线的接触发生短路，造成元件烧坏，还应注意调节滑动变阻器，使电压输出为9V，由于仪器关系，测试未必很准，只要接近数值即可。
十、参考文献
1、童诗白华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京:
高等教育出版社，2005
2、余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第二版）[M].北京：
高等教育出版社，2005
十一、附件（元器件清单、系统原理图、PCB板图均在以上分析中）
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